球形儲(chǔ)罐定期檢驗(yàn)中無損檢測(cè)技術(shù)的組合應(yīng)用

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(中國石油獨(dú)山子石化分公司壓力容器檢驗(yàn)所， 獨(dú)山子 833699)

球形儲(chǔ)罐具有占地面積小、節(jié)省鋼材、承載能力強(qiáng)、受力均勻等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于盛載高壓、易燃易爆或有毒有害的介質(zhì)。球形儲(chǔ)罐一旦發(fā)生爆炸或泄漏，往往并發(fā)火災(zāi)、中毒等災(zāi)難性事故[1]，故定期檢驗(yàn)對(duì)其的安全使用有非常重要的意義。

在球罐的定期檢驗(yàn)中，如何選擇并優(yōu)化組合無損檢測(cè)技術(shù)，提高對(duì)缺陷定量、定性的準(zhǔn)確性，進(jìn)一步提升檢驗(yàn)水平，是檢驗(yàn)人員應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)考慮的問題。

1 常用的無損檢測(cè)技術(shù)

1.1 表面缺陷檢測(cè)

在役球形儲(chǔ)罐最常見的缺陷是腐蝕減薄和環(huán)境應(yīng)力開裂[2]。這主要是因?yàn)椋呵蛐蝺?chǔ)罐的組裝焊接多在現(xiàn)場(chǎng)完成，熱處理質(zhì)量受到多種因素制約，其焊接殘余應(yīng)力消除得不徹底；盛載的化學(xué)介質(zhì)本身具有腐蝕性或介質(zhì)中存在硫化氫、氫元素等具有腐蝕性的雜質(zhì)。

對(duì)于這些在球形儲(chǔ)罐表面、近表面存在的缺陷，常常在裝置停工階段的定期檢驗(yàn)過程中，采用磁粉檢測(cè)或滲透檢測(cè)的方法判斷缺陷的相關(guān)情況。

1.2 埋藏缺陷檢測(cè)

球形儲(chǔ)罐通過焊接方法進(jìn)行組裝，存在大量焊接接頭。這些焊接接頭在焊接過程中內(nèi)部可能產(chǎn)生氣孔、夾渣、裂紋、未熔合、未焊透等缺陷；在使用過程中由于壓力、溫度、應(yīng)力等原因，接頭內(nèi)部還會(huì)新生疲勞裂紋。這些埋藏缺陷通常選擇超聲、射線檢測(cè)方法進(jìn)行檢測(cè)。

1.2.1 超聲檢測(cè)

在球形儲(chǔ)罐的定期檢驗(yàn)中廣泛地使用了超聲檢測(cè)方法，這是因?yàn)槌暀z測(cè)儀質(zhì)量輕、體積小，操作方便，更重要的是其相對(duì)于射線檢測(cè)而言，是一種綠色環(huán)保的檢測(cè)方法。超聲檢測(cè)法具有精度較高的特點(diǎn)，可以較精確地提供缺陷自身高度、長度等信息。與此同時(shí)，超聲檢測(cè)也有自身的局限性，如：不能形象地展現(xiàn)缺陷形貌特征，不易判斷缺陷的性質(zhì)，對(duì)裂紋的敏感性較差。近幾年新興的超聲檢測(cè)技術(shù)(相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)、超聲TOFD檢測(cè)技術(shù))已日趨成熟，正在彌補(bǔ)超聲檢測(cè)的這些缺點(diǎn)。

相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)，是常規(guī)超聲檢測(cè)技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的新型無損檢測(cè)技術(shù)，擁有多種顯示模式，并且能運(yùn)用色差的不同像素點(diǎn)的集合，描繪出缺陷的水平位置、自身高度、埋藏深度、自身形貌特征等大量信息，可為檢測(cè)人員提供判斷缺陷性質(zhì)的有利信息。

超聲TOFD檢測(cè)技術(shù)對(duì)裂紋有很高的檢出率,這是因?yàn)槠洳杉治龅氖浅曆苌洳ǎ@些衍射波是在缺陷兩側(cè)產(chǎn)生的聲波，不受缺陷方向的影響而向缺陷四周傳播。因此不論裂紋在焊接接頭中的位置和走向如何，使用超聲TOFD法均能有效地將其檢測(cè)出來。

工程施工安全管理是對(duì)投入資源和條件的安全管理，進(jìn)而對(duì)施工生產(chǎn)全過程及各環(huán)節(jié)安全生產(chǎn)進(jìn)行管理的過程。加強(qiáng)安全管理，防范和減少安全事故的發(fā)生，及時(shí)妥善處理安全事故，減輕因事故造成的人身傷害和經(jīng)濟(jì)損失，從而使工程順利進(jìn)行到底，是工程施工管理中不可忽視的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

2016版《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》及NB/T 47013-2015《承壓設(shè)備無損檢測(cè)》標(biāo)準(zhǔn)中新增了部分條款，在很大程度上推廣了超聲TOFD檢測(cè)技術(shù)在球形儲(chǔ)罐檢測(cè)中的應(yīng)用[3]。

1.2.2 射線檢測(cè)

射線檢測(cè)的檢測(cè)原理是：利用射線在通過被透照物體時(shí)，缺陷與完好部位的物質(zhì)不同(物質(zhì)的衰減系數(shù)也不同)，造成透過缺陷后的射線強(qiáng)度與透過周圍完好部位的射線強(qiáng)度存在差異，從而在底片上的相應(yīng)部位出現(xiàn)黑度差異。檢驗(yàn)人員通過這種黑度差異構(gòu)成的不同形狀的影像，就可判斷缺陷的性質(zhì)及其危害程度。

射線檢測(cè)技術(shù)能得到缺陷的直觀圖像并能夠長期保存，能比較準(zhǔn)確地判斷出缺陷的性質(zhì)、數(shù)量和位置。該方法能容易地檢測(cè)出氣孔、夾渣等存在局部厚度差的缺陷，對(duì)于未熔合、裂紋的檢出率會(huì)受到透射角度的影響。射線檢測(cè)的成本較高，檢測(cè)速度較慢，對(duì)人體存在輻射傷害，所以在球形儲(chǔ)罐定期檢驗(yàn)中存在一定困難。

2 無損檢測(cè)技術(shù)組合應(yīng)用案例

無損檢測(cè)作為一種有效的檢測(cè)手段，能夠?qū)z測(cè)對(duì)象內(nèi)部及表面的情況進(jìn)行檢查與測(cè)試,其又包含多個(gè)專業(yè)門類，這些不同的無損檢測(cè)技術(shù)各有特點(diǎn)和優(yōu)缺點(diǎn)。

在球形儲(chǔ)罐的定期檢驗(yàn)中，如果發(fā)現(xiàn)異常情況、可疑缺陷時(shí)，正確且有效地選用多種檢測(cè)技術(shù)相互驗(yàn)證，補(bǔ)充完善檢測(cè)數(shù)據(jù)，能夠提高對(duì)球形儲(chǔ)罐安全評(píng)定的準(zhǔn)確性。

2.1 坡口未熔合的定性與定量

該球罐常規(guī)超聲檢測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)一處超標(biāo)缺陷，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)(見圖1)判定方法如下：

(1) 使用K3、K2探頭置于位置a處掃查，均發(fā)現(xiàn)該缺陷回波，波幅均超過判廢線，測(cè)量深度h=6.7 mm，指示長度L=10 mm，反射體位于檢測(cè)面對(duì)側(cè)，且偏離焊縫中心約2 mm(處于坡口位置)，只有一個(gè)波峰；

(2) 將K3、K2探頭置于位置b處掃查，缺陷回波波幅均低于I區(qū)，測(cè)量最高回波處的缺陷深度h=6.6 mm，反射體位置和上述兩次檢測(cè)基本一致；

(3) 通過以上回波特性分析，該缺陷在深度方向存在一定傾斜角度，水平位置位于坡口，懷疑是坡口未熔合。

圖1 球罐超標(biāo)缺陷的超聲檢測(cè)位置示意

圖2 球罐超標(biāo)缺陷的射線檢測(cè)示意

由于常規(guī)超聲檢測(cè)結(jié)果僅為抽象的波幅顯示，檢測(cè)人員根據(jù)波形特征和經(jīng)驗(yàn)難以對(duì)缺陷性質(zhì)做出準(zhǔn)確地判斷。為了進(jìn)一步驗(yàn)證缺陷性質(zhì)，選用對(duì)未熔合較為敏感，檢測(cè)結(jié)果較為直觀的射線檢測(cè)技術(shù)對(duì)缺陷部位進(jìn)行復(fù)檢。因?yàn)閼岩稍撊毕轂槠驴谖慈酆希以诤穸确较蛏嫌幸欢▋A斜角度，所以選擇傾斜透照工藝，如圖2所示。這樣做是因?yàn)橹挥挟?dāng)射線透照方向垂直于未熔合面時(shí),底片上缺陷影像才有較深的黑化度,同時(shí)顏色深淺較均勻，有利于提高對(duì)未熔合缺陷的靈敏度[4]。

缺陷部位的射線底片如圖3所示，可見，在底片上能清晰地發(fā)現(xiàn)缺陷，該缺陷靠近焊縫上邊緣，距離焊縫上邊緣約為H/4(H為焊縫寬度)處,形貌呈月牙形,外邊靠母材側(cè)為平直狀,內(nèi)側(cè)靠焊縫中心側(cè)為弧形,黑度逐漸變淺。根據(jù)其形貌特征和位置，確定其為坡口未熔合。

圖3 球罐超標(biāo)缺陷部位的射線底片

對(duì)缺陷部位進(jìn)行打磨處理，打磨至6.5 mm深時(shí)，成功發(fā)現(xiàn)該缺陷,如圖4所示。

圖4 球罐上的缺陷形貌圖

小結(jié)：常規(guī)超聲與射線檢測(cè)技術(shù)的組合應(yīng)用，可相互驗(yàn)證檢測(cè)結(jié)果，并可對(duì)缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確地定性和定量，為球形儲(chǔ)罐的安全評(píng)定提供了依據(jù)。

2.2 內(nèi)表面裂紋深度的定量

在某球形儲(chǔ)罐的定期檢驗(yàn)中，對(duì)其內(nèi)表面焊縫進(jìn)行熒光磁粉檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)球罐上部環(huán)焊縫熔合線附近存在間斷性裂紋，如圖5所示。

圖5 球罐內(nèi)表面熒光磁粉檢測(cè)出的裂紋

由于裂紋的自身高度對(duì)缺陷的返修和球罐的安全評(píng)級(jí)至關(guān)重要，因此需要對(duì)裂紋的自身高度進(jìn)行準(zhǔn)確定量。分析多種無損檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，最終選擇超聲TOFD技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)。由于TOFD檢測(cè)方法的下表面盲區(qū)比直通波的盲區(qū)小很多，因此改變檢測(cè)面，從球罐外表面對(duì)此內(nèi)表面裂紋缺陷進(jìn)行檢測(cè)。

圖6 球罐內(nèi)表面裂紋超聲TOFD檢測(cè)圖譜

匯總超聲TOFD檢測(cè)數(shù)據(jù)，內(nèi)表面裂紋自身高度最大為3.9 mm,其具體數(shù)據(jù)如表1所示，可見裂紋自身高度均大于2 mm。按照《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》，對(duì)球形儲(chǔ)罐進(jìn)行安全評(píng)級(jí)，達(dá)不到能安全使用的3級(jí)。委托方根據(jù)該檢測(cè)結(jié)果提供的裂紋自身高度進(jìn)行返修處理。

表1 某球罐內(nèi)表面裂紋超聲TOFD檢測(cè)數(shù)據(jù)

小結(jié)：因?yàn)槌昑OFD技術(shù)對(duì)裂紋缺陷的檢出率較高，對(duì)缺陷自身高度的定量精度也較高，所以TOFD方法與其他無損檢測(cè)技術(shù)的組合使用，能提供精確的缺陷定量，使球形儲(chǔ)罐的安全評(píng)定更加科學(xué)、準(zhǔn)確。

3 結(jié)語

在球形儲(chǔ)罐的定期檢驗(yàn)中，要正確地運(yùn)用各無損檢測(cè)技術(shù)，應(yīng)該準(zhǔn)確了解各檢測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍，清楚每種檢測(cè)技術(shù)對(duì)于不同缺陷的敏感性和檢測(cè)精確度；還需要考慮球罐的焊接工藝、使用環(huán)境，并結(jié)合可能產(chǎn)生的缺陷類型，最終選擇正確的無損檢測(cè)技術(shù)組合應(yīng)用，最大程度發(fā)揮各技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)不足，確保定期檢驗(yàn)的質(zhì)量以及安全評(píng)定的準(zhǔn)確性。